旋翼飞行机器人系统建模与主动模型控制理论及实验研究

为解决旋翼飞行机器人全包线飞行中的参考模型辨识问题和由飞行模态转换、 内外部扰动, 以及动力学时变所产生的模型失配问题, 并消除模型失配对基于参考模型所设计的飞行控制器造成的跟踪性能的影响, 本文提出了基于悬停参考模型的系统辨识和主动模型的在线控制策略. 通过改进的频域辨识方法和半解耦的简化模型结构, 在悬停模态下进行模型拟合和全包线飞行的模型差分析, 然后结合自适应集员估计(Adaptive set-membership filter, ASMF)方法提出模型差的在线估计和控制补偿策略来应对统计学未知且有界(Unknown but bounded, UBB)的模型差, 以此消除上述模型失配对名义控制器理想条件的破坏所造成的控制性能降低. 最后, 通过在ServoHeli-40旋翼飞行机器人平台的实际飞行对比实验, 验证了所提出方法的有效性和现实可行性.     

旋翼模型操纵系统设计与实现

倾转旋翼模型实验台用于倾转旋翼飞行器模型的地面悬停试验及风洞试验研究,通过对倾转旋翼模型实验台旋翼模型操纵系统的研究,建立和分析了旋翼模型操纵系统的数学模型,采用永磁同步直线电机作为执行元件,运用常规PID控制方法,实现了对旋翼模型作总距操纵和横向、纵向周期变距操纵,设计了操纵系统的测控软件;试验结果显示所设计的系统能很好地跟踪输入信号,系统具有较好的静态和动态性能,满足倾转旋翼模型实验台的要求.     

基于Mahony滤波器和PID控制器的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器由于其简单的气动布局和复杂的动力学模型在控制领域引起了研究热潮,姿态估计与控制器设计一直是实现四旋翼飞行器稳定飞行的难点。为实现精确的四旋翼飞行器姿态估计,首先分析了IMU传感器示值组成和误差存在的原因,然后在方向余弦矩阵（DCM）和重正交化的基础上,具体给出了Mahony滤波器的实现流程。通过与扩展卡尔曼滤波器对比表明,该算法不仅能保证很高的姿态估计精度,而且计算时间小于扩展卡尔曼滤波器,有助于提高系统姿态估计的实时性。结合Mahony滤波后的姿态信息,采用嵌套PI-PID控制策略设计了控制器。最后,将姿态估计算法和控制算法应用到实验平台上,可以实现四旋翼飞行器悬停和角度跟踪功能。     

3自由度旋翼飞行机械臂系统动力学建模与预测控制方法

旋翼飞行机械臂(rotorcraft aerial manipulator,RAM)系统是安装在飞行机器人上的可操作型机械臂,悬停模式下执行准确的空中操作时旋翼无人机与所加机械臂之间存在相对扰动,通过分离机械臂与飞行机器人进行动力学建模并不能有效消除这种扰动.本文基于对相互扰动力学作用的分析建立整体动力学模型,并在悬停飞行模式下将其简化为线性控制参考模型.进而对旋翼系统控制延时所引起的动力学扰动进行补偿,同时设计预测控制器来消除末端执行器的位置和姿态误差.最后,在存在内部和外部扰动的情况下,设定销钉插入操作任务进行控制方法的对比仿真.末端执行器位姿偏差的仿真结果表明了模型结构与控制方法的有效性.     

基于双目立体视觉避障的四旋翼飞行器设计

将双目立体视觉技术融入四旋翼飞行器设计,通过两个在相对水平位置上的单目相机模拟人的眼睛,在双目立体视觉测距系统上经过图像采集、双目矫正、双目立体匹配等步骤得到视差结果,计算出深度信息并进行三维重构,实现四旋翼飞行器一键起飞、定高、定点巡航、悬停及自主避障。实验结果表明,所设计的飞行器响应速度快,跟随性能好,定位精度较高。     

基于VOD块匹配准则的四旋翼飞行器悬停研究

针对四旋翼飞行器悬停控制不准确的问题,提出一种基于光流传感器的四旋翼飞行器悬停控制方法。设计了一种基于STM32F407为核心的飞行器主控平台,其中光流传感器模块采用PX4FLOW;为加快计算图像光流场的速度,将VOD(Variance of Difference)块匹配准则的SEA算法应用到采集到的连续帧间图像光流场的计算上;最后采用增量式PID(Proportion Integration Differentiation)控制算法以达到比较精确的悬停控制。实验结果表明:该方法能够有效地提高四旋翼飞行器的悬停稳定性,悬停时在水平方向的控制范围在±10 cm之间,且计算相对简单,能满足实际需求。     

三倾转旋翼无人机直升机模式建模与控制研究

针对一种新型三旋翼构型的倾转旋翼无人机的直升机模式控制问题进行研究,采用牛顿欧拉法对这种新型三旋翼构型的倾转旋翼无人机直升机模式进行了详细的动力学建模分析,建立了该无人机悬停模式6自由度非线性模型;在对该模型进行线性化的基础上,设计了这种三倾转旋翼无人机直升机模式下的高度、俯仰通道、滚转通道以及偏航通道的PID控制器,并在Matlab/Simlink环境下建立其仿真模型,对所设计的控制算法进行验证;实验结果表明,所设计的控制器能够满足系统的控制性能要求。     

基于Mahony滤波器和PID控制器的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器由于其简单的气动布局和复杂的动力学模型在控制领域引起了研究热潮,姿态估计与控制器设计一直是实现四旋翼飞行器稳定飞行的难点。为实现精确的四旋翼飞行器姿态估计,首先分析了IMU传感器示值组成和误差存在的原因,然后在方向余弦矩阵(DCM)和重正交化的基础上,具体给出了Mahony滤波器的实现流程。通过与扩展卡尔曼滤波器对比表明,该算法不仅能保证很高的姿态估计精度,而且计算时间小于扩展卡尔曼滤波器,有助于提高系统姿态估计的实时性。结合Mahony滤波后的姿态信息,采用嵌套PI-PID控制策略设计了控制器。最后,将姿态估计算法和控制算法应用到实验平台上,可以实现四旋翼飞行器悬停和角度跟踪功能。     

无人旋翼飞行器自适应飞行控制系统设计与仿真

为了设计出能适应不同飞行任务的无人旋翼飞行器飞行控制系统,讨论了模型逆控制器原理.提出了神经网络补偿控制器及其权系数在线算法,分析了综合控制器稳定性.导出了无人旋翼飞行器旋转动力学逆控制器和平移动力学逆控制器,设计了姿态内回路控制器和轨迹外回路控制器,确定了共轴旋翼转速驱动电机的控制分配策略.规划了组合机动飞行科目来模拟自动飞行任务.通过仿真验证了自适应飞行控制系统对无人旋翼飞行器水平垂直运动、悬停和航向运动的飞行控制能力.结果表明,所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现姿态与轨迹的稳定和跟踪控制.     

基于二分法求解延时方程的厚度噪声仿真分析

针对前飞条件下桨盘平面内噪声难于实际测试的问题,仿真分析了不同前飞速度下直升机旋翼厚度噪声的变化情况。在采用Farassat提出的Formulation 1A公式计算不同飞行状态下旋翼厚度噪声的时域波形时,为了减少延时方程的求解时间,提出了一种二分法的数值求解方法。通过分析前飞条件下桨盘平面内移动的观测点,在同一半径不同周向角的厚度噪声时,经计算找出了厚度噪声最大的可能位置。对比了前飞和悬停两种条件下厚度噪声的指向性曲线变化,总结了飞行速度对厚度噪声的影响规律。通过和牛顿迭代法的计算时间对比,验证了二分法作为延时方程的求解方法可以稳定且有效的用于厚度噪声计算,关于厚度噪声的分析结果有助于对旋翼噪声变化规律的认识。     

直升机飞行动力学建模及可视化研究

研究了直升机飞行动力学建模及可视化仿真的相关技术。建模时综合考虑了直升机的主要气动力部件的建模以及气动干扰等问题。主旋翼是直升机建模的关键，详细讨论了与其相关的翼型气动力模型、诱导速度模型和挥舞运动模型的建模方法。同时利用虚拟现实技术构建了直升机三维实体模型。基于Simulink和虚拟现实工具箱，给出了将飞行动力学数值模型同虚拟场景结合起来的方法，实现了计算、仿真、显示一体化。最后采用算例直升机数据，进行了定直飞行的配平计算和操纵响应分析，结果证明了模型的合理性和有效性。     

基于LQR的直升机悬停控制律设计与仿真

建立了某型直升机数学模型,并将该模型分解为纵向模型和横侧向模型两部分,提出了悬停控制律应该达到的稳态指标;以该型直升机为被控对象,采用输出反馈线性二次型调节器(LQR)技术设计了由纵向控制律和横侧向控制律组成的悬停控制律,使得直升机能取得满意的悬停性能指标;以该型直升机模型、执行器模型以及设计的悬停控制器构成全数字闭环仿真系统进行控制律仿真验证;仿真结果表明,文中设计的悬停控制律正确有效,能够较好地实现直升机的悬停功能,另外,由于该悬停控制律是基于输出反馈的,在工程上也比较容易实现。     

直升机旋翼锥体与动平衡主动调节技术

针对直升机桨叶质量、气动条件等不平衡引起的旋翼低频振动过大的问题,提出一种以旋翼锥体为约束、仅通过调整桨叶变距拉杆的主动减振技术.该技术在建立的桨叶挥舞摆振扭转耦合的动力学模型基础上,使用最小二乘辨识方法估计振动频域分量和变距拉杆位移之间的线性模型,从而构造并求解以旋翼锥体为约束条件、低频振动分量为控制目标的二次型性能指标函数,同时将该算法用Simulink模块实现,进行实时化仿真计算,并验证控制结果的有效性.结果表明：该算法约束旋翼锥体的同时能够降低旋翼80%以上的低频振动,而且对桨毂中心升力、扭矩等的影响在0.3%以内,并未对直升机其他动力响应产生不良影响,结合Simulink模型的实时化仿真为直升机锥体和动平衡调整提供了一种工程应用思路.     

Effects of blade tip modifications on wind turbine performance using vortex model

The effects of blade tip modifications on a wind turbine blade are studied with the design code developed previously, by taking into account the curving of the blade axis in or out of the plane of rotation. This is an area of interest for manufacturers of wind turbines to improve the aerodynamic performance, as has been done with airplane wings and also to use the swept tips to unload the blades during wind gusts by changing the local incidences with a nose-down torsional moment.The vortex model, based on Goldstein approach, treats each blade as a lifting line generating a helicoidal vortex sheet, supporting the trailed vorticity along prescribed helices whose pitch is determined to satisfy the wake equilibrium condition. As the lifting line is given sweep in the plane of rotation or dihedral in the plane containing the blade and the rotor axis, the induced velocities by the bound vortex at the lifting line are no longer zero and the blade flow is also affected by the modified vortex sheet geometry, according to the Biot-Savart formula. The study is performed with a two-bladed rotor with the NREL blade as point of reference.A series of tests is carried out with the design code, comparing the design of a rotor blade with straight axis or with a ±10% (forward or backward) sweep, dihedral or winglet. Results indicate that the aerodynamic performance are in general enhanced with these tip modifications, although the trends differ between forward and backward orientations, with some nonlinear effects associated with the wake geometry.     

Mathematical Modeling and Experimental Identification of an Unmanned Helicopter Robot with Flybar Dynamics

This paper presents a mathematical model for a model‐scale unmanned helicopter robot, with emphasis on the dynamics of the flybar. The interaction between the flybar and the main rotor blade is explained in detail; it is shown how the flapping of the flybar increases the stability of the helicopter robot as well as assists in its actuation. The model helicopter has a fast time‐domain response due to its small size, and is inherently unstable. Therefore, most commercially available model helicopters use the flybar to augment stability and make it easier for a pilot to fly. Working from first principles and basic aerodynamics, the equations of motion for full six degree‐of‐freedom with flybar‐degree of freedom are derived. System identification experiments and results are presented to verify the mathematical model structure and to identify model parameters such as inertias and aerodynamic constants. © 2004 Wiley Periodicals, Inc.     

Modeling and Simulation of the HADA Reconfigurable UAV

The “Helicopter ADaptive Aircraft” (HADA) is a reconfigurable UAV that performs both as a helicopter for take-off, landing and hovering flight, but that “morphs” in flight to a conventional fixed wing configuration for cruise flight, unfolding the wings that are beneath the fuselage and transferring power from the main rotor to a pusher propeller. This paper presents the dynamic model of the behaviour of the HADA in the transition phases. The model takes into account the aerodynamic effects and variable mass and inertia characteristics of variable sweeping wings which are present in the HADA design, incorporating wind tunnel data. Simulations of the wing deployment process of the HADA are also presented.     

共轴刚性旋翼桨尖间距建模与参数影响研究

共轴刚性旋翼桨尖间距是涉及直升机飞行安全的关键问题,建立了共轴刚性旋翼综合气弹分析模型,开展了升力偏置、前进比、旋翼交叉角、提前操纵角以及高阶气动载荷等因素对桨尖间距影响的数值计算和分析研究.研究结果表明,升力偏置是影响桨尖间距最重要的因素,随着升力偏置量增大,桨尖间距呈线性减小趋势,而且旋翼拉力越大,趋势直线的斜率就越大,本质上桨尖间距是由桨根动态挥舞弯矩决定的,桨尖间距不会随飞行速度的增大而减小,旋翼交叉角对桨尖间距有一定的调节作用,提前操纵角和高阶气动载荷则对桨尖间距影响很小.     

基于变参数环板等效叶片组的叶盘模型耦合振动分析方法

转子系统常见于旋转机械装置中,在航空、电力、化工等工业和民用的诸多行业中发挥着重要作用.转子系统一般由轴和多级叶轮组成,存在强度、疲劳、振动和噪声等一系列问题,亟待通过优化设计等手段提高产品的各项性能.由于每级叶轮都含有由多条叶片构成的叶片组,因此在应用有限元等方法分析时,即便利用了回转周期的性质,转子系统的整体自由度数目依然庞大,优化设计的计算效率有待提高.为了提高转子系统分析的效率,可将根据气动性能要求设计的单级叶盘视为状态已经确定的子系统,在具备足够计算精度的前提下对其有限元模型进行缩聚或简化,以降低整体系统的自由度.文章介绍叶片组模型的等效建模方法,以固有振动特性相近为等效准则,将有限元模型中周向环绕的叶片组等效为变参数圆柱型正交各向异性环形板,并通过理论推导和计算得到了环板模型的几何与材料等物理参数.以航空发动机低压涡轮叶盘模型为例,实现了叶片组的模型等效过程.结果表明,等效方法可在保证精度的前提下大大降低模型的自由度数目,为后续整体转子系统的优化设计提供了高效的叶盘建模方法.     

某型直升机飞行性能仿真建模与验证

主要研究并建立直升机飞行性能仿真模型,在直升机动力学和运动学微分方程的基础上重点解算作用在直升机各部件上的气动力和力矩模型,建立旋翼和尾桨的气动仿真模型,对旋翼挥舞运动进行了分析研究,还考虑了平尾、垂尾、机身和重力的仿真模型。最后通过对各飞行性能指标及其验证原理方法的分析研究,验证了静态性能指标,应用标量指标法验证动态性能指标。     

刹车盘结构对车轮及整车流场的影响

为研究车轮刹车盘结构对旋转车轮和整车流场气动特性的影响,针对是否存在刹车盘两种情况分别建立等比例模型,采用可实现的k-ε两方程模型计算,对比分析气动升、阻力因数,表面压力因数及整体与局部流场,发现刹车盘结构在简化车体上对车轮局部和整车流场都具有突出影响,指出在整车气动特性模拟中刹车盘存在的必要性.进一步进行计算模型选择的研究,发现旋转壁面模型与多坐标参考系(Multiple Reference Frame,MRF)模型对旋转车轮的流场特性模拟结果有差异,在近车轮区域表现尤为明显.